Sinchrotroninė spinduliuotė (sinchrotrono šviesa) – apibrėžimas ir taikymai

Sinchrotroninės šviesos šaltinis – tai sinchrotrono skleidžiamos elektromagnetinės spinduliuotės šaltinis. Sinchrotroninė spinduliuotė (dar vadinama sinchrotrono šviesa) pasižymi plataus spektro energijomis (nuo infraraudonųjų iki minkštųjų ir kietųjų rentgeno spindulių), dideliu ryškumu (brightness), geru kolimavimu ir dažnai polarizacija arba banginio priekinio galo koherentiškumu. Dėl šių savybių sinchrotroninė šviesa yra ypač vertinga tiksliems, didelės erdvinės ir laikinės raiškos eksperimentams.

Šią spinduliuotę moksliniais ir techniniais tikslais dirbtinai gamina specializuoti dalelių greitintuvai, paprastai greitindami elektronus. Sukūrus didelės energijos elektronų pluoštą, jis nukreipiamas į pagalbinius komponentus — pavyzdžiui, lenkimo magnetus saugojimo žieduose ir įterpimo įtaisus (undulatorius arba parako įtaisus), taip pat į laisvųjų elektronų lazerius. Šie elementai sukuria stiprius magnetinius laukus, statmenus pluoštui, taip priverčiant greitėjančius elektronus spinduliuoti energiją kaip elektromagnetinę spinduliuotę. Pagal konstrukciją spinduliuotės spektro savybės ir ryškumas gali būti tiksliai reguliuojami — tai leidžia pritaikyti šviesą konkretiems matavimams.

Greitintuvuose sinchrotroninė spinduliuotė gali atsirasti nenorint (kaip trikdys atliekant dalelių fizikos eksperimentus) arba būti tikslingai generuojama sinchrotronų laboratorijose. Elektronai dažnai greitinami keliais etapais iki galutinės energijos, kuri dažnai siekia keletą GeV. Net ir protonų greitintuvuose, pvz., Didžiajame hadronų priešpriešinių srautų greitintuve (LHC), protonų pluoštai, judėdami didelėmis energijomis vakuumo vamzdyne, skleidžia tam tikrą sinchrotroninę spinduliuotę. Ši spinduliuotė gali lemti fotoelektronų susidarymą iš vamzdžio sienelių, o toliau—antrinių elektronų kaupimąsi (vadinamą elektronų debesis), kuris gali paveikti pluošto dinamiką. Pvz., antrinių elektronų tankis gali augti iki maždaug 7x1010, o dėl energijos nuostolių kiekvienas protonas per vieną apsisukimą gali netekti apie 6,7keV. Taigi ir elektronų, ir protonų sinchrotronai gali būti tiek tyrimų įrankiais, tiek spinduliuotės šaltiniais.

Sinchrotroninės šviesos ypatybės, svarbios taikymams:

• Aukštas ryškumas ir intensyvumas – leidžia tyrinėti labai mažas ar retas struktūras.
• Platesnis energijų diapazonas ir galimybė tiksliai parinkti energiją (tuneability) – svarbu spektroskopijai.
• Gera erdvinė ir laikinė raiška; trumpi impulsai leidžia atlikti laiko rezoliucijos (time-resolved) eksperimentus.
• Poliarizacija ir dalinė koherencija – būtina tam tikroms eksperimentinėms technikoms.

Pagrindinės sinchrotrono šviesos taikymo sritys:

• Kondensuotosios medžiagos fizika ir medžiagų mokslas: rentgeno spindulių difrakcija (XRD), mažos kampo sklaida (SAXS), elektroninės struktūros tyrimai (XAS, EXAFS).
• Biologija: baltymų ir makromolekulių kristalografija, struktūrinė biologija (aukštos raiškos kristalografija ir vieno dalelių tyrimai).
• Medicina: aukštos raiškos vaizdinimas, medicininė tomografija, kontrastinės medžiagos tyrimai bei vaistų sąveikos su biomolekulėmis analizė.
• Spektroskopija ir cheminė analizė: elementinė analizė, oksidacijos būsenų nustatymas, paviršių tyrimai.
• Pramoniniai taikymai: mikrostruktūrų gamyba litografijos, galvanizavimo ir liejimo (LIGA) būdu, medžiagų kontrolė ir kokybės užtikrinimas.
• Kultūros paveldo tyrimai: dažų, keramikos ir metalų analizė nenaudojant destruktyvių metodų.
• Aplinkos mokslai ir pavojingų medžiagų aptikimas.

Sinchrotroninė technika apima daugybę eksperimentinių metodų: rentgeno difrakciją (struktūrai nustatyti), rtg. tomografiją (3D vaizdavimui), spektroskopiją (cheminėms ir elektroninėms savybėms), mikroskopiją (phase-contrast, ptychography) ir laiko rezoliucijos tyrimus (ultra-trumpi impulsai, femtosekundiniai procesai). Modernūs sinchrotronai taip pat dažnai komplektuojami su specializuotomis „beamline“ stotimis, kurias valdo tarptautinės tyrimų grupės ir kurios suteikia vartus prie įvairių instrumentų ir detektorių.

Pastaraisiais metais išpopuliarėjo ir laisvųjų elektronų lazeriai, kurie generuoja itin intensyvius, koherentinius ir labai trumpus rentgeno impulsus — tai leidžia stebėti greitai vykstančius procesus atominiu laiku ir erdve. Tokie įrenginiai papildo klasikinius sinchrotrono paleidiklius ir atveria naujas galimybes dinamikos, cheminių reakcijų bei energijos perkėlimo procesų tyrimams.

Apibendrinant, sinchrotroninė spinduliuotė yra universali ir galinga instrumentų grupė, plačiai naudojama fundamentiniams moksliniams tyrimams ir praktiniams pritaikymams pramonėje, medicinoje ir kultūros paveldo srityje. Jos unikalios savybės — didelis ryškumas, platūs energijų diapazonai, tinkamumas laiko ir erdvės analizėms — daro sinchrotronus būtinais šiuolaikinės mokslo infrastruktūros elementais.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kas yra sinchrotroninis šviesos šaltinis?

K: Kaip sukuriami stiprūs magnetiniai laukai, kad didelės energijos elektronų energija virstų šviesa ar kitų formų elektromagnetine spinduliuote?

K: Kokio tipo dalelės gali būti greitinamos sinchrotrone?

Klausimas: Kokių rūšių taikymą turi sinchrotroninė šviesa?

Klausimas: Kiek energijos dėl šio reiškinio praranda kiekvienas protonas per vieną apsisukimą?

K: Kokio tipo greitintuvai paprastai sukuria šiuos šaltinius?

Paieška pagal raidę